CN106571211B - 集成电感结构及集成变压器结构 - Google Patents

集成电感结构及集成变压器结构 Download PDF

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Abstract

一种集成电感结构及集成变压器结构，集成电感结构包含一第一螺旋状线圈、一第二螺旋状线圈及一连接线段。第一螺旋状线圈包含多个金属线段与及一跨接线段，并具有一第一端点、一第二端点、一第三端点及一第四端点，其中该跨接线段与所述金属线段不同层，用来连接所述金属线段。第二螺旋状线圈具有一第五端点及一第六端点。连接线段连接该第三端点与该第五端点以及该第四端点与该第六端点。该集成电感结构以该第一及第二端点作为输入端及输出端，且该第一端点与该第三端点位于一第一假想直线上，该第一假想直线通过该第一螺旋状线圈所围绕的一范围的中心区域，且该跨接线段与该范围的中心区域位于一第二假想直线上。

Description

集成电感结构及集成变压器结构
技术领域
本发明关于集成电感结构及集成变压器结构，尤其关于具有高对称性的8字型集成电感及集成变压器。
背景技术
电感以及变压器为射频集成电路中用来实现单端至差动信号转换、信号耦合、阻抗匹配等功能的重要组件，随着集成电路往系统单芯片(System on Chip，SoC)发展，集成电感(integrated inductor)及集成变压器(integrated transformer)已逐渐取代传统的分离式组件，而被广泛地使用在射频集成电路中。然而，集成电路中的电感及变压器，往往会占用大量的芯片面积，因此，如何缩小集成电路中的电感及变压器的面积，并同时维持组件的特性，例如电感值、质量因子(quality factor，Q)及耦合系数(couplingcoefficient，K)等等，成为一个重要的课题。
图1为习知8字型集成电感的结构图。8字型集成电感100包含螺旋状线圈110及120。螺旋状线圈110(120)包含金属线段112(122)及金属线段114(124)。金属线段112(122)与金属线段114(124)通过位于贯穿位置的贯穿结构相连接，贯穿结构可以例如是导孔(via)结构或是导孔数组(via array)。使用时，信号从8字型集成电感100的其中一端点111(或121)输入，从另一端点121(或111)输出。此8字型集成电感100的缺点是，螺旋状线圈110及120本身的对称性不佳，造成8字型集成电感100的质量因子及电感值无法提升；再者，8字型集成电感100的两端点111及121距离远(当螺旋状线圈的圈数多时更明显)，不利于与集成电路中的差动组件耦接。
发明内容
鉴于先前技术的不足，本发明的一目的在于提供一种集成电感结构及集成变压器结构，以提高电感的对称性及电感值。
本发明揭露了一种集成电感结构，包含：一第一螺旋状线圈，包含多个金属线段与及一跨接线段，并具有一第一端点、一第二端点、一第三端点及一第四端点，其中该跨接线段与所述金属线段不同层，用来连接所述金属线段；一第二螺旋状线圈，具有一第五端点及一第六端点；一连接线段，连接该第三端点与该第五端点以及该第四端点与该第六端点；其中该集成电感结构以该第一端点及该第二端点的其中一个为输入端，以另一个为输出端，且该第一端点与该第三端点位于一第一假想直线上，该第一假想直线通过该第一螺旋状线圈所围绕的一范围的中心区域，且该跨接线段与该范围的中心区域位于一第二假想直线上，该第一假想直线及该第二假想直线的一较小夹角大于等于45度。
本发明另揭露了一种集成变压器结构，包含：一第一螺旋状线圈，包含多个金属线段与及一跨接线段，并具有一第一端点、一第二端点、一第三端点及一第四端点，其中该跨接线段与所述金属线段不同层，用来连接所述金属线段；一第二螺旋状线圈，具有一第五端点、一第六端点、一第七端点及一第八端点；一连接线段，连接该第三端点与该第五端点以及该第四端点与该第六端点；其中该集成变压器以该第一端点及该第二端点为输入端口，以及以该第七端点及该第八端点为输出端口，且该第一端点与该第三端点位于一第一假想直线上，该第一假想直线通过该第一螺旋状线圈所围绕的一范围的中心区域，且该跨接线段与该范围的中心区域位于一第二假想直线上，该第一假想直线及该第二假想直线的一较小夹角大于等于45度。
本发明的集成电感结构及集成变压器结构具有高对称性，有利于提升电感值，再者，电感的输入端与输入端之间的距离，不受螺旋状线圈的圈数影响，方便与集成电路中的差动组件耦接。
有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作实施例详细说明如下。
附图说明
[图1]为习知8字型集成电感的结构图；
[图2]为本发明一实施例的8字型电感的结构图；
[图3A]为本发明另一实施例的8字型电感的结构图；
[图3B]为图3A的8字型电感结构的连接关系图；
[图4]为本发明另一实施例的8字型电感的结构图；
[图5]为本发明另一实施例的8字型电感的结构图；
[图6]为本发明另一实施例的8字型电感的结构图；以及
[图7]为本发明一实施例的集成变压器的结构图。
具体实施方式
以下说明内容的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。本发明的揭露内容包含集成电感结构及集成变压器结构，其所包含的部分组件单独而言可能为已知组件，因此在不影响该装置发明的充分揭露及可实施性的前提下，以下说明对于已知组件的细节将予以节略。
图2为本发明一实施例的8字型电感的结构图。8字型集成电感200包含螺旋状线圈210及220。螺旋状线圈210包含围绕成3圈的金属线段215a、215b、215c、215d(制作于同一金属层)，此4个金属线段藉由位于不同金属层的跨接线段216a及216b连接。螺旋状线圈210包含4个端点211、212、213及214，端点211及212的其中之一为8字型集成电感200的输入端，另一为输出端，两者分别通过引导线段211a及212a传输信号。类似地，螺旋状线圈220包含围绕成3圈的金属线段225a、225b、225c(制作于同一金属层)，此3个金属线段藉由位于不同金属层的跨接线段226a及226b连接。
端点211及212位于螺旋状线圈210的外层线圈，而端点213及214则位于螺旋状线圈210的最内层线圈；另一方面，端点223及224位于螺旋状线圈220的最内层线圈。螺旋状线圈210及螺旋状线圈220通过连接线段(包含跨接线段230及240)连接，其中跨接线段230连接端点213及端点224，跨接线段240连接端点214及端点223。此实施例中，螺旋状线圈210及螺旋状线圈220中除了跨接线段以外的金属线段制作于第一金属层，而跨接线段230及240为交叉(crossing)结构，分别制作于第二金属层及第三金属层。因此跨接线段230及240可以跨越多条构成螺旋状线圈210及螺旋状线圈220的金属线段(位于第一金属层)，使螺旋状线圈210及螺旋状线圈220两者的最内层通过连接线段互相连接。在其他的实施例中，连接线段可以不为交叉结构(亦即其中一跨接线段连接端点213及端点223，另一跨接线段连接端点214及端点224)，此时连接线段可以只用一层金属层实作。
实际上螺旋状线圈210及螺旋状线圈220两者皆为对称型的螺旋状线圈，且两者以背对背(back-to-back)的方式排列。两者位于内层线圈的端点(端点213、214、223、224)通过连接线段耦接后，便形成8字型的集成电感结构，而螺旋状线圈220中相对于螺旋状线圈210的端点211及212的位置，可以形成8字型的集成电感200的中央抽头(center tap)221，因此8字型集成电感200的接口(由端点211及端点212所构成)、连接线段及中央抽头221位于一直线250上，且8字型集成电感200对该直线250对称，因此本发明的8字型集成电感200相较于习知的8字型集成电感100有更好的对称性，而且端点211及端点212两者间的距离可以缩短，且不受螺旋状线圈的圈数影响，使得8字型集成电感200更适合应用于差动电路。当8字型集成电感200应用于差动电路时，中央抽头221可连接至地或差动电路的电源VDD。
螺旋状线圈210所围绕的范围具有一中心区域217(此处以螺旋状线圈210为例作说明，螺旋状线圈220同理，具有中心区域227)，中心区域217大致位于螺旋状线圈210的最内层线圈的中心处，也就是中心区域217与上下金属线段的距离h1及h2大约相等，与左右金属线段的距离d1及d2大约相等。此实施例中，跨接线段216a及216b位于螺旋状线圈210中与直线250平行的边上，也就是跨接线段216a及216b不位于直线250上。然而当螺旋状线圈210不以四边形实作时(例如以其他多边形或甚至圆形实作)，跨接线段216a(或216b)的位置可以进一步地定义如下：对该螺旋状线圈210而言，第一端点或第二端点与第三端点或第四端点的联机可形成一第一假想直线(即约略为直线250)，跨接线段216a(或216b)与螺旋状线圈210所围绕的范围的中心区域217的联机可形成一第二假想直线(即约略为直线260)，两假想直线所形成的夹角(以较小者为讨论对象)可以是大于等于45度且小于等于90度(图2的实施例为90度)。在这样的设计下且连接线段为图中所示的交叉结构时，8字型集成电感200最多只需占用三层金属层；然而如果跨接线段216a(或216b)位于或接近直线250，则8字型集成电感200将必须使用四层金属层，即交叉结构的连接线段必须制作于第三及第四金属层，才能同时跨越螺旋状线圈210的多数金属线段(第一金属层)及跨接线段216a(或216b)(第二金属层)。
图3A为本发明另一实施例的8字型电感的结构图。8字型集成电感300包含螺旋状线圈310及320。螺旋状线圈310包含围绕成3圈的金属线段315a、315b、315c、315d(制作于同一金属层)，此4个金属线段藉由跨接线段316a、316b连接。螺旋状线圈310包含端点311及312，其中之一为8字型集成电感300的输入端，另一为输出端，两者分别通过引导线段311a及312a传输信号。类似地，螺旋状线圈320包含围绕成3圈的金属线段325a、325b、325c(制作于同一金属层)，此3个金属线段藉由跨接线段连接。
与上一个实施例相同，螺旋状线圈310及螺旋状线圈320皆为对称型的螺旋状线圈，两者同样以背对背的方式排列，通过连接线段380连接，且跨接线段的安排方式也与螺旋状线圈210及螺旋状线圈220相同。不同的是，端点311及312位于螺旋状线圈310的最内层线圈，所以引导线段311a及312a制作于不同的金属层，在这个实施例中，引导线段311a及312a位于金属线段315a、315b、315c、315d所属金属层的上方。由于螺旋状线圈320与310对称，所以同理中央抽头321位于金属线段325a、325b、325c所属金属层的上方。
为了更加清楚说明螺旋状线圈310、螺旋状线圈320的端点及连接线段380的连接关系，图3B显示了三者的独立结构。除了端点311及312之外，螺旋状线圈310还包含端点313及314，两者位于螺旋状线圈310的外层线圈。类似地，螺旋状线圈320包含端点323及324，两者位于螺旋状线圈320的外层线圈。连接线段380包含延伸线段330及跨接线段340，延伸线段330连接端点313及端点324，跨接线段340连接端点314及端点323。延伸线段330与金属线段315b、325a位于同一金属层，所以在一个实施例中可以将延伸线段330视为金属线段315b与金属线段325a的延伸，亦即金属线段315b、延伸线段330以及金属线段325a为连续的线段，此时连接线段380可以视为只包含跨接线段340。然而本实施例中为了清楚说明螺旋状线圈310及320的端点间的连接关系，特地将延伸线段330定义为独立的线段。相较于图2的结构，由于螺旋状线圈310及螺旋状线圈320之间互相连接的端点皆制作于各自的外层线圈，所以连接线段380无须跨越螺旋状线圈310及320的金属线段，不仅简化连接线段380的制作程序，也同时使8字型集成电感300至多只需两层的金属层即可完成。请注意，端点311及312制作于最内层线圈，且本实施例中螺旋状线圈310的圈数为奇数，因此引导线段311a及312a不与螺旋状线圈310所围绕的范围的中心区域重叠。螺旋状线圈320的中央抽头同理。
图4为本发明另一实施例的8字型电感的结构图。8字型集成电感400包含螺旋状线圈410及420。此实施例中螺旋状线圈410及420皆为偶数圈，螺旋状线圈410的端点411及412位于内圈，引导线段411a及412a与螺旋状线圈410所围绕范围的中心区域重叠；同理，中央抽头421与螺旋状线圈420所围绕范围的中心区域重叠。图4中，螺旋状线圈410的跨接线段416与螺旋状线圈420的跨接线段426位于8字型集成电感400的同一侧，而在不同的实施例中，跨接线段416与跨接线段426可以位于8字型集成电感500的不同侧，如图5所示。
图6为本发明另一实施例的8字型电感的结构图。8字型集成电感600包含螺旋状线圈610及620，其中螺旋状线圈610的圈数为奇数，螺旋状线圈620的圈数为偶数。也就是说，本发明8字型电感的两个螺旋状线圈不限于相同圈数，而且亦不限于偶数圈与偶数圈的组合，或奇数圈与奇数圈的组合。
可以发现，图2至图6所示的8字型电感，其中一个螺旋状线圈的电流方向为顺时针方向，另一个为逆时针方向，因此两者有极佳的磁场耦合效果，可避免磁场散射(radiation)而使其他组件遭受电磁干扰。
除了上述的8字型集成电感之外，本发明亦提出集成变压器结构，只要将图2至图6的8字型电感的中央抽头的部分改为2个端点，该2个端点成为集成变压器的输出端口(port)，而原本8字型电感的输入端与输出端成为集成变压器的输入端口。以图3A所示的8字型电感为例，其改为变压器后如图7所示。集成变压器700包含2个螺旋状线圈710及720，其中螺旋状线圈710与螺旋状线圈310相同，皆包含4个端点，而螺旋状线圈720也同样包含4个端点，其中2个端点位于其外层线圈(可模拟于图3B的端点323及324)，通过连接线段与螺旋状线圈710的其中2个端点连接，而另外2个端点端点721及722则构成集成变压器700的其中一端口(另一端口由端点711及712所构成)，而且2者分别藉由引导线段721a及722a传送信号。
本发明的集成变压器除了上述的实现方法之外，还可将图2至图6的任一8字型电感重复1个制作于其他金属层，使2个8字型电感在垂直方向上有重叠的范围，藉由2电感的磁场耦合来达到变压器的功效。以2个8字型电感实现1个集成变压器时，各个8字型电感不需实作中央抽头。再者，2个8字型电感的跨接线段可以制作于同一金属层，以减少所需的金属层层数；以图3A的8字型集成电感300为例，当2个8字型电感在垂直方向上完全对齐时，此集成变压器需要4层金属层(各8字型电感占用2层)；然而如果使2个8字型电感的跨接线段参差排列，例如使其中1个8字型电感的跨接线段远离连接线段380，同时使另1个8字型电感的跨接线段靠近连接线段380，则2个8字型电感的跨接线段可以同时制作于同一金属层，如此一来此集成变压器便只需要3层金属层。在其他实施例中，2个8字型电感可分别制作于三维芯片的2个晶粒中，2个晶粒呈面对面排列，使各一个8字型电感分别位放上下堆栈的晶粒中，形成变压器的结构(transformer)，中间填充底部填充剂(underfill)。
请注意，图2至图7的跨接金属线段虽然都制作于上层(相较于螺旋状线圈的多数金属线段所属的金属层)，然而亦可制作于下方的金属层。
请注意，前揭图标中，组件的形状、尺寸以及比例等仅为示意，供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。虽然本发明的实施例如上所述，然而这些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的申请专利范围所界定者为准。
【符号说明】
100、200、300、400、500、600 8字型集成电感
110、120、210、220、310、320、410、420、610、620、710、720 螺旋状线圈
111、121、211、212、213、214、223、224、311、312、313、314、323、324、411、412、711、712、721、722 端点
211a、212a、311a、312a、411a、412a、721a、722a 引导线段
221、321、421 中央抽头
112、114、122、124、215a、215b、215c、215d、225a、225b、225c、315a、315b、315c、315d、325a、325b、325c 金属线段
216a、216b、226a、226b、230、240、316a、316b、340、416、426 跨接线段
217、227 中心区域
250、260 直线
380 连接线段
330 延伸线段
700 集成变压器。

Claims (10)

1.一种集成电感结构，包含：
一第一螺旋状线圈，包含多个金属线段与及一跨接线段，并具有一第一端点、一第二端点、一第三端点及一第四端点，其中该跨接线段与所述金属线段不同层，用来连接所述金属线段；
一第二螺旋状线圈，具有一第五端点及一第六端点；
一连接线段，连接该第三端点与该第五端点以及该第四端点与该第六端点；
其中，所述第一螺旋状线圈及所述第二螺旋状线圈皆为对称型的螺旋状线圈，且两者以背对背的方式排列，形成8字型结构；
其中该集成电感结构以该第一端点及该第二端点的其中一个为输入端，以另一个为输出端，且该第一端点与该第三端点位于一第一假想直线上，该第一假想直线通过该第一螺旋状线圈所围绕的一范围的中心区域，且该跨接线段与该范围的中心区域位于一第二假想直线上，该第一假想直线及该第二假想直线的一较小夹角大于等于45度。
2.根据权利要求1所述的集成电感结构，其中该第一螺旋状线圈包含一第一外层线圈及至少一第一内层线圈，该第二螺旋状线圈包含一第二外层线圈及至少一第二内层线圈，该第一端点及该第二端点位于该第一外层线圈，该第三端点及该第四端点位于该第一内层线圈，且该第五端点及该第六端点位于该第二内层线圈。
3.根据权利要求2所述的集成电感结构，其中所述金属线段制作于一第一金属层，该第二螺旋状线圈包含制作于该第一金属层的多个附加金属线段，该连接线段包含分别制作于一第二金属层及一第三金属层的一第一跨接线段及一第二跨接线段，该第一跨接线段及该第二跨接线段跨越部分所述金属线段及部分所述附加金属线段。
4.根据权利要求1所述的集成电感结构，其中该第一螺旋状线圈包含一第一外层线圈及至少一第一内层线圈，该第二螺旋状线圈包含一第二外层线圈及至少一第二内层线圈，该第一端点及该第二端点位于该第一内层线圈，该第三端点及该第四端点位于该第一外层线圈，且该第五端点及该第六端点位于该第二外层线圈。
5.根据权利要求4所述的集成电感结构，其中所述金属线段制作于一第一金属层，该第二螺旋状线圈包含制作于该第一金属层的多个附加金属线段，该连接线段包含分别制作于该第一金属层及一第二金属层的一延伸线段及一跨接线段，该跨接线段跨越该延伸线段但不跨越所述金属线段及所述附加金属线段。
6.根据权利要求4所述的集成电感结构，其中该第一端点及该第二端点分别通过一第一引导线段及一第二引导线段传输信号，该第一引导线段及该第二引导线段跨越所述金属线段，且当该第一螺旋状线圈的圈数为奇数时，该第一引导线段及该第二引导线段不与该范围重叠。
7.根据权利要求4所述的集成电感结构，其中该第一端点及该第二端点分别通过一第一引导线段及一第二引导线段传输信号，该第一引导线段及该第二引导线段跨越所述金属线段，且当该第一螺旋状线圈的圈数为偶数时，该第一引导线段及该第二引导线段与该范围重叠。
8.根据权利要求1所述的集成电感结构，其中该第一螺旋状线圈及该第二螺旋状线圈的圈数不同。
9.根据权利要求1所述的集成电感结构，其中该较小夹角小于等于90度。
10.一种集成变压器结构，包含：
一第一螺旋状线圈，包含多个金属线段与及一跨接线段，并具有一第一端点、一第二端点、一第三端点及一第四端点，其中该跨接线段与所述金属线段不同层，用来连接所述金属线段；
一第二螺旋状线圈，具有一第五端点、一第六端点、一第七端点及一第八端点；
一连接线段，连接该第三端点与该第五端点以及该第四端点与该第六端点；
其中，所述第一螺旋状线圈及所述第二螺旋状线圈皆为对称型的螺旋状线圈，且两者以背对背的方式排列，形成8字型结构；
其中该集成变压器以该第一端点及该第二端点为电流输入端口，以及以该第七端点及该第八端点为电流输出端口，且该第一端点与该第三端点位于一第一假想直线上，该第一假想直线通过该第一螺旋状线圈所围绕的一范围的中心区域，且该跨接线段与该范围的中心区域位于一第二假想直线上，该第一假想直线及该第二假想直线的一较小夹角大于等于45度。
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